soc内adcテスト信号生成 アルゴリズム...群馬大学小林研究室 gunma university...
TRANSCRIPT
群馬大学 小林研究室
Gunma University Kobayashi-Lab
SoC内ADCテスト信号生成アルゴリズム
上森聡史 伊藤聡志 古川靖夫
山口隆弘 浅見幸司 小林春夫
群馬大学 アドバンテスト
1
研究背景
良否判定が重要
テスト時間∝テストコスト
高い不良検出率 低テストコスト
要求事項
1E-06
1E-05
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Year
LSIの製造出荷
テスト
いかにテストコストを下げるか
いかに精度を良くするか が重要
アナログテストは難しい
4
線形性テストヒストグラム法(ランプ波入力)
t
Ramp波
ADC
DUT
001 010 011 100 101 110 111
Output
Code
Number
of Samples
INL
DNL
ランプ波入力での頻度 入力レンジで均一
高線形性のランプ波発生は難しい(せいぜい12ビット程度まで)
7
線形性テスト
t
正弦波
ヒストグラム法(正弦波入力)
アナログフィルタにより高調波を除去
正弦波発生器 BPF ADC
DUT
Output
Code
Number
of Samples
INL
DNL
f
カット
高純度のものが得やすい(14ビット以上)
正弦波入力での頻度 中心付近では少ない
8
001 010 011 100 101 110 111
Output
Code
Number
of Samples
DNL,INL
DNL それぞれのbinに入ったサンプルの数
INL DNLを積分したもの
DNL,INL マイコン内ADC等ではこの性能試験が重要
アナログ入力に対する出力の割合
理想変換直線からのずれ
9
DNL
Output
Code
Number
of Samples
Output
Code
Number
of Samples
単一正弦波
提案手法
SoC内ADC線形性テスト
SoC内ADCへの入力信号
入力フルレンジではなく中心付近を主に使う
中心を高精度に観る
11
AWGによるテスト信号生成
DSP
複数正弦波合成アルゴリズム
DACアナログフィルタ
ADC
プログラム
任意波形発生器 (AWG:Arbitrary Waveform Generator)
DUT
アナログフィルタと併用して高精度化
正弦波合成
複数正弦波からテスト信号生成
ADC出力コードの中心付近の頻度増加
12
AWGによるテスト信号生成
被試験ADCが12ビット程度
・AWGが18ビット相当以上のリニアリティを持つ
AWGで必要な波形を生成すれば良い
しかし
・AWGに期待できるリニアリティ : 12ビット相当
動特性込みのリニアリティ測定にはLPFによる信号の高精度化で解決
複数正弦波とする利点
13
提案テスト信号発生方法
複数正弦波から三角波を近似
2
1
)12(
))12(2cos(
4
n
tfnV
VV
n
n
nin
各項の振幅、足し合わせる項の選択
出力コードの中心付近を頻度増加
テスト時間の短縮、精度向上
14
三角波のヒストグラム
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
第1項に第2項から順に足し合わせた場合(振幅1)
Time Time Time
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
e0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Output Code Output Code Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
12)12(
))12cos((4
n
inn
tnV
15
1項+2項 1項+2項+3項 1項+2項+3項+4項
三角波のヒストグラム16
・N-1個の山ができる
ピーク値が下がり頻度の増加する箇所(山)が増える
Nbit )12( ・約 コードごとに山が現れる
N : 順番に足し合わせた項の数
足し合わせる項を増やす
∴傾きが一定になっていく
頻度の増加する箇所
入力はより三角波へと近づく
nが偶数項と奇数項で影響が異なる
nが偶数項のみの入力
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1項+2項+4項 1項+2項+4項+6項 1項+2項+4項+6項+8項
12)12(
))12cos((4
n
inn
tnV
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
28
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
23
120 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
12
32
Time Time Time
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
eOutput Code Output Code Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
17
nが奇数項のみの入力
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1項+3項 1項+3項+5項 1項+3項+5項+7項
12)12(
))12cos((4
n
inn
tnV
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
8
20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
8
22
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
6
24
Time Time Time
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
e
Am
pli
tud
eOutput Code Output Code Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
18
nが偶数,奇数項の影響
偶数項のみを入力した場合
入力波形において、主に中央付近の傾きが緩やかになる
中央の頻度が増加
奇数項のみを入力した場合
主に中央付近の傾きは急になり、両端付近の傾きが緩やかになる
中央の頻度は減少、両端付近は増加
19
中心付近の頻度増加
偶数,奇数項をうまく用いて中心付近の頻度を増加させるテスト信号を生成
2)12(
))12cos((
n
wtnVn
n=1,2,・・・
(入力は適当に調整したもの)
入力
0 1 2 3 4 5 6 7
x 104
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Time
Am
pli
tud
e
76321 2.14.18.16.24
VVVVVVin
出力コードの中心付近の頻度が増加
32
8
20
1) 計測モジュールのセットアップ時間 : 1ms以下
2) 計測モジュール、DUTのセットリング : msオーダー(条件による)
3) DCリニアリティの取り込み時間 :
ヒストグラム法 : 2^(ADCのビット数)×16~64×(ADCの変換時間)
4) SINADなどの取り込み時間
: 2^(ADCのビット数)×1~4×(ADCの変換時間)
5) データ転送+演算時間 :数ms~数十ms
6) その他の試験時間 :数ms
-電源電圧などの条件を変えた試験を行う場合には上記の時間の条件数倍かかる
-通常はRamp波による3)が最も長く、1秒程度になる場合もある
ADCテスト時間の見積もり前提
テスト時間の見積もり21
・計測モジュールのセットアップ時間, DUTのセットリング : 10 msec
・DCリニアリティの取り込み時間 :ヒストグラム法 : 2^12×40×10usec = 1600 msec
・SINADなどの取り込み時間 : 2^12× 4×10usec = 160 msec
・データ転送+演算時間 : 10 msec
・ 電源電圧 3通り・温度 3通り (通常、民生用デバイスでは常温試験のみ)
合計時間
ヒストグラム 1780 msec
想定するADC: 12bit SAR ADC 100kS/s
(DCセトリング時間=ADCの変換時間=10μsec として計算)
ADCテスト時間の見積もり
テスト時間の見積もり22
テスト時間の見積もり
高分解能ADCほどテスト時間が長くなる
-分解能が高い
-サンプリング周波数が低い
「1$チップ 1秒」が妥当なテスト時間
12ビット 100kS/s SAR ADC のテスト時間は長すぎる
23
出力コードの中心付近のbinは10点以上その他のコードは4点以上
となるときの総サンプル数
シミュレーションによる効果の検証
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 45000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Output Code
ヒストグラムヒストグラム
単一正弦波入力 提案手法
Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Output Code
ヒストグラムヒストグラム
単一正弦波入力 提案手法
24
総点数 : 65536点 総点数 : 32768点
サンプルする点数を半分にする
binに入る最低点数を満たせる
テスト時間を約半分にできる
出力コードの中心付近のbinは10点以上その他のコードは4点以上
となるときの総サンプル数
シミュレーションによる効果の検証
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000
5
10
15
20
25
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000
5
10
15
20
25
Output Code
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Nu
mb
er o
f S
am
ple
s
Output Code
ヒストグラムヒストグラム
単一正弦波入力 提案手法拡大図
25
総点数 : 65536点 総点数 : 32768点
サンプルする点数を半分にする
binに入る最低点数を満たせる
テスト時間を約半分にできる
実現方法
任意波形発生器(AWG)でデジタル的に
アナログLPFを通してADCへの入力信号
合成信号を発生しDA変換
27
DSP
複数正弦波合成アルゴリズム
DACアナログフィルタ
プログラム
AWG
フィルタのセットリング時間28
DSP
複数正弦波合成アルゴリズム
DACアナログフィルタ
プログラム
AWG
フィルタのセットリング時間の問題
フィルタの時定数τの10倍程度必要
(1kHzのフィルタなら10msec程)
ADCトータルテスト時間の問題にならない程度
まとめ
• SoC内ADCの線形性テストのための
ADC入力信号生成方法を提案
入力レンジ中心付近の頻度を増加
短時間のテストで線形性テストの精度を
高めることが出来る
今後:実機試験による効果の確認
30